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第九讲：共用数据的保护与对象的动态处理

news 来源：原创 2024/5/18 21:56:09

第九讲：共用数据的保护与对象的动态处理

本讲基本要求

    * 掌握：常对象的定义；引入常对象数据成员的方法；对象的常引用。
    * 理解：常对象的指针的定义及引用。
    * 了解：对象的动态建立和释放。
重点、难点
    * 常对象的定义；引入常对象数据成员的方法；对象的常引用。

一、共用数据的保护

虽然采取了不少有效的措施(如设private保护)以增加数据的安全性，但是有些数据却往往是共享的，例如实参与形参，变量与其引用，数据与其指针等，人们可以在不同的场合通过不同的途径访问同一个数据对象。有时在无意之中的误操作会改变有关数据的状况，而这是人们所不希望出现的。
既要使数据能在一定范围内共享，又要保证它不被任意修改，这时可以使用const，即把有关的数据定义为常量。

1、常对象

定义常对象的一般形式为:
类名const 对象名[(实参表列)]；

const 类名对象名[(实参表列)]；
二者等价。

说明：
   1、在定义对象时指定对象为常对象。常对象中的数据成员为常变量且必须要有初值，这样，在所有的场合中，对象tl中的所有数据成员的值都不能被修改。凡希望保证数据成员不被改变的对象，可以声明为常对象。
   2、如果一个对象被声明为常对象，则不能调用该对象的非const型的成员函数(除了由系统自动调用的隐式的构造函数和析构函数)。
   3、为了防止函数会修改常对象中数据成员的值。在函数中并没有修改常对象中数据成员的值也不允许调用，因为不能仅依靠编程者的细心来保证程序不出错，编译系统充分考虑到可能出现的情况，对不安全的因素予以拦截。
   4、编译系统不能进入函数去检查它的代码，看它是否修改了常对象中数据成员的值。实际上，函数的定义与函数的声明可能不在同一个源程序文件中。而编译则是以一个源程序文件为单位的，无法测出两个源程序文件之间是否有矛盾。如果有错，只有在连接或运行阶段才能发现。这就给调试程序带来不便。
   5、现在，编译系统只检查函数的声明，只要发现调用了常对象的成员函数，而且该函数未被声明为const，就报错，提请编程者注意。
   6、有时在编程时有要求，一定要修改常对象中的某个数据成员的值(例如类中有一个用于计数的变量count，其值应当能不断变化)，ANSI 考虑到实际编程时的需要，对作了特殊的处理，对该数据成员声明为mutable。如： mutable in count； 把count声明为可变的数据成员，这样就可以用声明为const的成员函数来修改它的值。

2、常对象成员（类）

可以在声明类时将成员声明为const，即声明常数据成员和常成员函数。

①常数据成员
作用和用法与一般常变量相似，用关键字const来声明常数据成员。常数据成员的值是不能改变的。有一点要注意：只能通过构造函数的参数初始化表对常数据成员进行初始化。

如在类体中声明了常数据成员hour：
const int hour； //声明hour为常数据成员

说明：
   不能采用在构造函数中对常数据成员赋初值的方法，下面的用法是非法的：
      Time::Time(int h)
      { hour=h；} //非法，因为常数据成员是不能被赋值的。
如果在类外定义构造函数，应写成以下形式：
   Time::Time(int h)：hour(h){} //通过参数初始化表对常数据成员hour初始化在类体中声明了某一个数据成员为常数据成员后，该类的所有对象中的该数据成员的值都是不能改变的，但不同对象中的该数据成员的值可以是不同的(在定义对象时给出)。

②常成员函数

常成员函数的定义：类型函数名 const

说明：
   1、如果将成员函数声明为常成员函数，则只能引用本类中的数据成员，而不能修改它们，例如只用于输出数据等。一般的成员函数可以引用本类中的非const数据成员，也可以修改它们。
   2、在声明函数和定义函数时都要有const关键字，在调用时不必加const。常成员函数可以引用const数据成员，也可以引用非const的数据成员。
   3、const数据成员可以被const成员函数引用，也可以被非const的成员函数引用。具体情况可以用下表1表示。

怎样利用常成员函数呢?
   (1)如果在一个类中，有些数据成员的值允许改变，另一些数据成员的值不允许改变，则可以将一部分数据成员声明为const，以保证其值不被改变。非const成员函数可以引用这些数据成员的值，并修改非const数据成员的值。
   (2)如果要求所有的数据成员的值都不允许改变，则可以将所有的数据成员声明为const，或将对象声明为const(常对象)，然后用coast成员函数引用数据成员，这样起到“双保险”的作用，切实保证了数据成员不被修改。
   (3)如果已定义了一个常对象，只能调用其中的const成员函数，而不能调用非const成员函数(不论这些函数是否会修改对象中的数据)。这是为了保证数据的安全。如果需要访问对象中的数据成员，可将常对象中所有成员函数都声明为const成员函数，并确保在函数中不修改对象中的数据成员。
   不要误认为常对象中的成员函数都是常成员函数。常对象只保证所有数据成员的值不被修改。如果在常对象中的成员函数未加const声明，编译系统把它作为非const成员函数处理。
还有一点要指出：常成员函数不能调用另一个非const成员函数。

3、指向对象的常指针

定义：将指向对象的指针变量声明为const型并将之初始化，这样指针值始终保持为其初不能改变，即其指向始终不变。

定义指向对象的常指针的一般形式为:类名 * const指针变量名=对象地址；

说明：
   1、 Time tl(10,12,15)，t2；//定义对象
      Time *const ptrl=t1   //const位置在指针变量名前面，规定ptrl的值是常值并指向对象t1，此后不能再改变指向;
      ptrl=&t2；          //错误，ptrl不能改变指向
   2、也可以在定义指针变量时使之初始化。
   3、指向对象的常指针变量的值不能改变，即始终指向同一个对象，但可以改变其所指向对象(如t1)中数据成员的值。
   4、往往用常指针作为函数的形参，目的是不允许在函数执行过程中改变指针变量的值，使其始终指向原来的对象。如果在函数执行过程中修改了该形参的值，编译系统就会发现错误，给出出错信息，这样比用人工来保证形参值不被修改更可靠。

4、指向常对象的指针变量

为了使读者更容易理解指向常对象的指针变量的概念和使用，首先了解指向常变量的指针变量，然后再进一步研究指向常对象的指针变量。

定义指向常变量的指针变量的一般形式为：

      const 类型名 *指针变量名；

例：下面定义了一个指向常变量的指针变量ptr:
    const char *ptr；
   注意：const的位置在最左侧，它与类型名char紧连，表示指针变量ptr指向的char变量是常变量，不能通过ptr来改变其值的。

说明：
   (1)如果一个变量已被声明为常变量，只能用指向常变量的指针变量指向它，而不能用一般的(指向非const型变量的)指针变量去指向它。
    (2)指向常变量的指针变量除了可以指向常变量外，还可以指向来被声明为const的变量。此时不能通过此指针变量改变该变量的值。
   (3)如果函数的形参是指向非const型变量的指针，实参只能用指向非const变量的指针，而不能用指向const变量的指针，这样，在执行函数的过程中可以改变形参指针变量所指向的变量(也就是实参指针所指向的变量)的值。如果函数的形参是指向const型变量的指针，在执行函数过程中显然不能改变指针变量所指向的变量的值，因此允许实参是指向const变量的指针，或指向非const变量的指针。使用形参和实参的对应关系见表2。

表2 用指针变量作形参时形参和实参的对应关系

以上的对应关系与在(2)中所介绍的指针变量和其所指向的变量的关系是一致的：指向常变量的指针变量可以指向const和非const型的变量，而指向非const型变量的指针变量只能指向非const的变量。

   以上介绍的是指向常变量的指针变量，指向常对象的指针变量的概念和使用是与此类似的，只要将“变量”换成“对象”即可。
   (1)如果一个对象已被声明为常对象，只能用指向常对象的指针变量指向它，而不能用一般的(指向非const型对象的)指针变量去指向它。
   (2)如果定义了一个指向常对象的指针变量，并使它指向一个非const的对象，则其指向的对象是不能通过指针来改变的。
   (3)指向常对象的指针最常用于函数的形参，目的是在保护形参指针所指向的对象，使它在函数执行过程中不被修改。
   (4)如果定义了一个指向常对象的指针变量，是不能通过它改变所指向的对象的值的，但是指针变量本身的值是可以改变的。

5、对象象的常引用

过去曾介绍：一个变量的引用就是变量的别名。实质上，变量名和引用名都指向同一段内存单元。如果形参为变量的引用名，实参为变量名，则在调用函数进行虚实结合时，并不是为形参另外开辟一个存储空间(常称为建立实参的一个拷贝)，而是把实参变量的地址传给形参(引用名)，这样引用名也指向实参变量。

例8 对象的常引用。
#include <iostream>
using namespace std;
class Time
   { public:
      Time(int,int,int);
      int hour;
      int minute;
      int sec; };
Time::Time(int h,int m,int s) //定义构造函数
   { hour=h;
    minute=m;
     sec=s; }
void fun(Time &t)    //形参t是Time类对象的引用
  { t.hour=18;}

int main()
{ Time t1(10,13,56); //tl是Time类对象
   fun(t1);    //实参是Time类对象，可以通过引用来修改实参d的值
   cout<<t1.hour<<endl; //输出t1.hour的值为18
   return 0; }

如果不希望在函数中修改实参t1的值，可以把引用t声明为const(常引用)，函数原型为
   void fun(const Time &t)；
   则在函数中不能改变t的值，也就是不能改变其对应的实参和t1的值。
   在面向对象程序设计中，经常用常指针和常引用作函数参数。这样既能保证数据安全，使数据不能被随意修改，在调用函数时又不必建立实参的拷贝。在学习8节时会知道，每次调用函数建立实参的拷贝时，都要调用复制构造函数，要有时间开销。用常指针和常引用作函数参数，可以提高程序运行效率。

6、const型数据的小结

本小节介绍const型数据和引用，利用它们可以对共用的数据进行保护。由于与对象有关的const型数据种类较多，形式又有些相似，容易混淆，因此本节集中归纳一下。为便于理解，以具体的形式表示，对象名设为Time。通过表3可以对几种const型数据的用法和区别一目了然，需要时也便于查阅。表中最后一行是对象的引用，不属于const型数据。

可能会觉得奉节介绍的内容虽不难理解，但难以记住，请不必着急，也不必硬记，在以后的实际应用中会逐步熟悉并熟练地使用它们。

二、对象的动态建立和释放

用前面介绍的方法定义的对象是静态的，在程序运行过程中，对象所占的空间是不能随时释放的。例如在一个函数中定义了一个对象，只有在该函数结束时，该对象才释放。但有时人们希望在需要用到对象时才建立对象，在不需要用该对象时就撤销它，释放它所占的内存空间以供别的数据使用。这样可以提高内存空间的利用率。
C语言用new运算符动态地分配内存，用delete运算符释放这些内存空间。这也适用于对象，可以用new运算符动态建立对象，用delete运算符撤销对象。

new运算符动态地分配内存的一般格式：对象的指针变量=new 对象名

delete运算符释放这些内存空间的一般格式: delete 对象的指针变量

例：如果已经定义了一个Box类，可以用下面的方法动态地建立一个对象：

   Box *pt    //定义一个指向Box类对象的指针变量p1
   pt=new Box；//在pt中存放了新建对象的起始地址
或：new Box；  //对象既没有对象名，用户也不知道它的地址。这种对象称为无名对象，它确实是存在的，但它没有名字。

说明：
   1、编泽系统开辟了一段内存空间，并在此内存空间中存放一个Box类对象给pt指针。在程序中就可以通过pt访问这个新建的对象。如
   cout<<pt->height； //输出该对象的height成
   cout<<pt->volume()； //调用该对象的volume函数，计算并输出体积
   还允许在执行new时，对新建立的对象进行初始化。如：
Box *pt=new Box(12，15，18)；
   2、调用对象既可以通过对象名，也可以通过指针。用new建立的动态对象一般是不用对象名的，而是通过指针访问的，它主要应用于动态的数据结构，如链表。访问链表中的结点，并不需要通过对象名，而是在上一个结点中存放下一个结点的地址，从而由上一个结点找到下一个结点，构成链接的关系。
   3、在执行new运算时，如果内存量不足，无法开辟所需的内存空间，目前大多数编译系统都使new返回一个。指针值。只要检测返回值是否为0，就可判断分配内存是否成功。AN61标准提出，在执行new出现故障时，就“抛出”一个“异常”，用户可根据异常进行有关处理(关于异常处理可参阅第8章)。但c 4-+标准仍然允许在出现new故障时返回。指针值。当前，不同的编译系统对new故障的处理方法是不同的。
   4、在不再需要使用由new建立的对象时，可以用delete运算符予以释放。如
delete Pt； //释放Pt指向的内存空间
这就撤销了pt指向的对象。此后程序不能再使用该对象。如果用一个指针变量pt先后指向不同的动态对象，应注意指针变量的当前指向，以免删错了对象。
   5、在执行delete运算符时，在释放内存空间之前，自动调用析构函数，完成有关善后清理工作。